Un catalizador a medida ayudará a aumentar el potencial del hidrógeno para el suministro de energía verde del mañana. Investigadores de la Universidad RWTH de Aquisgrán, el Instituto Max Planck de Investigación del Carbón de Mülheim an der Ruhr y el Forschungszentrum Jülich trabajan en una nueva solución para hacer más utilizable el hidrógeno, difícil de manejar en su estado natural.
Así funciona el ácido fórmico como sistema de almacenamiento de hidrógeno: el dióxido de carbono(CO2) reacciona con el hidrógeno verde (H2) mediante un catalizador para formar ácido fórmico (HCOOH). De este modo, el hidrógeno puede almacenarse, conservarse y transportarse a largo plazo y con menos esfuerzo. Antes de volver a convertirlo en electricidad, el hidrógeno se separa del ácido fórmico mediante un catalizador. A continuación, el dióxido de carbono separado se recicla para combinarse de nuevo con el hidrógeno y se forma ácido fórmico
El hidrógeno es muy volátil y tiene una densidad volumétrica muy baja. La idea básica es utilizar moléculas más grandes que contengan hidrógeno. Pueden almacenarse, conservarse y transportarse con menos esfuerzo. Esto ofrece a los usuarios la oportunidad de aprovechar mejor los puntos fuertes del hidrógeno como medio de almacenamiento respetuoso con el clima para grandes cantidades de energía o como materia prima en la industria.
Ya existen varias moléculas bien estudiadas, como el metanol, que podrían utilizarse como portadoras de hidrógeno. El grupo de Aquisgrán, Mülheim an der Ruhr y Jülich se centra en los compuestos de ácido fórmico como moléculas portadoras, para las que han desarrollado un catalizador. El catalizador tiene la importante tarea de potenciar la deshidrogenación, es decir, la liberación de hidrógeno de la molécula mayor.
El catalizador recién desarrollado se basa en un compuesto de rutenio y fósforo. En el laboratorio se ha demostrado que también puede liberar permanentemente hidrógeno del ácido fórmico sin perder su eficacia. En el siguiente paso, el equipo quiere demostrar esta propiedad para el formiato de metilo, que es similar al ácido fórmico, y aprovechar así las propiedades beneficiosas de la molécula. En concreto, el formiato de metilo libera el hidrógeno almacenado más rápidamente que otras moléculas portadoras como el metanol. El estudio del equipo se ha publicado en la revista Journal of Catalysis. Un equipo del Instituto Leibniz de Catálisis (LIKAT) de Rostock describió el año pasado en una publicación que el formiato de metilo puede ser un objetivo interesante. El formiato de metilo puede producirsesin emisiones de CO2, no es tóxico como el amoníaco y el metanol y, con el catalizador adecuado, libera hidrógeno 20 veces más rápido que el metanol. Se produce a partir de metanol y ácido fórmico.
El equipo del LIKAT logró sus resultados utilizando la llamada catálisis homogénea basada en el rutenio. Esto significa que tanto el catalizador de rutenio como el formiato de metilo participan en la reacción en la misma fase. En este caso, ambos se encuentran en estado líquido. La catálisis homogénea plantea retos para la deshidrogenación a escala industrial porque las moléculas del catalizador son difíciles de separar del líquido si, por ejemplo, pierden actividad. En cambio, la catálisis heterogénea utiliza sólidos que pueden separarse fácilmente de los líquidos y los gases. Esto supone una gran ventaja para los procesos técnicos.
"En nuestro estudio, hemos demostrado un catalizador sólido que tiene el potencial de permanecer activo durante la liberación de hidrógeno porque no se ve arrastrado por el líquido", afirma la profesora Regina Palkovits, Directora del Instituto de Economía Sostenible del Hidrógeno de Jülich y Catedrática de Catálisis Heterogénea y Química Técnica de la Universidad RWTH de Aquisgrán.
Regina Palkovits y su equipo han utilizado este tipo de catálisis heterogénea para la liberación de hidrógeno a partir de ácido fórmico, en la que el ácido fórmico sigue presente en forma líquida, pero el rutenio participa en la reacción en un medio sólido. También en este caso, el reto consiste en evitar que el catalizador se desactive. "Queremos asegurarnos de que nuestro catalizador no se desactive y cumpla su función a largo plazo", explica Regina Palkovits.
Por eso, el equipo de investigación ha añadido fósforo al rutenio como estabilizador. De este modo, los átomos de rutenio conservan su posición en lugar de disolverse, aglutinarse y perder así partes de su superficie de reacción. "Así pudimos conseguir en el laboratorio un flujo de gas constante de hidrógeno liberado durante el periodo de prueba de dos días y medio", afirma el químico Sebastian Seidel al describir los resultados del catalizador de rutenio estabilizado con fósforo.
En el laboratorio, el equipo trabajó inicialmente con ácido fórmico, que también puede utilizarse como portador de hidrógeno, pero con dos átomos une menos hidrógeno que el formiato de metilo, con cuatro. El ácido fórmico y el formiato de metilo pertenecen al mismo grupo de moléculas y tienen propiedades similares. "El ácido fórmico es la molécula de prueba más sencilla para nuestra plataforma catalizadora. Sin embargo, los resultados que hemos obtenido aquí sugieren que nuestro catalizador de rutenio y fósforo también puede adaptarse para la deshidrogenación del formiato de metilo. Queremos utilizarlo para otras moléculas portadoras de hidrógeno en el futuro", explica Seidel.
Publicación original:
Porous BINAP-based polyaromatic polymers for the continuous base-free Ru-catalysed decomposition of aqueous formic acid, por Sebastian Seidel, Isabella Kappel, Claudia Weidenthaler, Peter J. C. Hausoul, Regina Palkovits
Journal of Catalysis, Volumen 438,Octubre 2024, 115712
